一種電動裝置、含該裝置的洗衣機及其驅動和制動方法
【專利摘要】本發明公開了一種電動裝置、含該裝置的洗衣機，所述電動裝置包括電源調制器、定子單元和永磁體轉子單元；所述洗衣機的轉桶上至少設置一個轉子單元組，每個轉子單元組包括至少4個間隔設置的轉子單元，且所有轉子單元環繞轉桶的磁極方向相同；定子單元至少安裝一個在機架固定部位，其與轉子單元的周期性相對氣隙不大于60mm；所述電源調制器對定子單元繞組供電形成的電磁極方向與轉子單元運動相向的磁極相反；電源調制器對定子單元的繞組相應輸出時序電流，實現所述電動裝置的驅動/制動。所述洗衣機至少設置一套該電動裝置。
【專利說明】
一種電動裝置、含該裝置的洗衣機及其驅動和制動方法
技術領域
[0001] 本發明涉及洗衣機的電動設計領域，具體涉及一種洗衣機的電動裝置結構、電源 調制方法以及對洗衣機電動裝置的驅動和制動方法。
【背景技術】
[0002] 洗衣機是涉及千家萬戶的家用電器，節能減排意義重大，據估計我國至少有2億 臺洗衣機，如果平均每臺每月少用1度電，每年可節省24億度電。目前我國市場的洗衣機 主要有滾筒洗衣機和波輪洗衣機，兩大類洗衣機各有其優缺點。
[0003] 滾筒洗衣機發源于歐洲，洗衣方法是模仿棒錘擊打衣物原理設計，利用電動機的 機械做功使滾筒旋轉，衣物在滾筒中不斷地被提升摔下，再提升再摔下，做重復運動，加上 洗衣粉和水的共同作用使衣物洗滌干凈。波輪式洗衣機發源于日本，工作原理由電動機帶 動波輪轉動，依靠裝在洗衣桶底部的波輪正反旋轉，帶動衣物上下左右不停地翻轉，使衣物 之間、衣物與桶壁之間，在水中進行柔和地摩擦，在洗滌劑的作用下實現去污清洗。波輪式 洗衣機有單桶、套桶、雙桶多種形式，一般認為具有結構比較簡單、洗凈率高的優點，但對衣 物磨損率大，用水多。
[0004] 市場普遍認為滾筒洗衣機的優點在于衣物無纏繞、洗滌均勻、磨損率要比波輪洗 衣機小10 %，可洗滌羊絨、羊毛、真絲等衣物，做到全面洗滌，也可以加熱，使洗衣粉充分溶 解，充分發揮出洗衣粉的去污效能；也可以在桶內形成高濃度洗衣液，在節水的情況下帶來 理想的洗衣效果。一些滾筒洗衣機較之波輪洗衣機，除了洗衣、脫水外，還有消毒除菌、烘 干、上排水等功能，滿足了不同地域和生活環境消費者的需求。滾筒式洗衣機最突出的優點 是采用了控制水量大小的節水技術，一般滾筒式洗衣機洗滌5KG衣物的標準用水為50L，僅 為波輪式洗衣機的1/3。
[0005] 滾筒洗衣機具有耗時和耗電的缺點，耗時一般消費者可接受（洗衣過程一般超過 一小時，波輪式洗衣機40分鐘左右），但耗電是明顯缺陷，雖然采用變頻技術可緩解其耗電 的劣勢，但滾筒洗衣機比其他類型洗衣機更消耗電量是不爭的事實。滾筒洗衣機雖然號稱 一般正常洗滌的功耗在200-400瓦，因多次脫水時功耗數倍增加（與轉速成正比），如果水 溫加到60度，洗一次要100分鐘以上，耗電1.5度左右（不計入烘干所耗電量）。相比之 下，波輪洗衣機的耗電量小得多。
[0006] 但是，無論是滾筒洗衣機還是波輪洗衣機，耗電量都是很可觀的，其耗電主要在所 配置的電動機上；近年以來，技術開發商普遍試圖應用PWQ技術來控制電機轉速，以圖達到 降低洗衣機耗電量的目的，但控制的基本思路通常建立在現有電動機的結構基礎上，研發 主流集中在電機內部旋轉的相角位控制思想范疇。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于克服現有洗衣機配用單元結構電動機、對電動機供電方式局限 于逆變電流方向和相角位控制的設計缺陷，提供一種通過電源調制器將外部電源改變為時 序供電方式的設計方案，同時電動裝置不再采用單元結構電動機的傳統設計，結構簡單，轉 矩大，工藝容易實現。
[0008] 本發明提供的一種洗衣機的電動裝置，所述電動裝置包括電源調制器1、定子單元 3a和永磁體轉子單元3b ;所述洗衣機的轉桶5上至少設置一個轉子單元組，每個轉子單元 組包括至少4個間隔設置的轉子單元3b，且所有轉子單元環繞轉桶設置的磁極方向相同； 所述定子單元3a至少安裝一個在靠近轉桶外緣的機架4固定部位，與轉子單元3b所形成 的周期性相對氣隙3d不大于60mm ;
[0009] 所述電源調制器1包括電源輸入端la、邏輯信號輸入端Id和時序電流輸出端lb， 其電源輸入端電連接電源10,時序電流輸出端電連接定子單元3a的內部繞組；所述電源調 制器1對定子單元3a內部繞組供電使定子單元形成電磁極的方向，設置為與永磁體轉子單 元3b運動相向的極性相反；所述電源調制器對定子單元的內部繞組相應輸出時序電流，實 現所述電動裝置的驅動/制動。
[0010] 優選的，所述電源10包括常規交流電及其經整流的直流電，以及任意蓄電裝置。
[0011] 優選的，所述至少4個轉子單元3b環繞轉桶5同極向設置，包括N/S兩極連線9與 轉桶同軸法線7重合/垂直的4種典型組合狀態，以及在4種典型組合狀態基礎上N/S兩 極連線偏轉不超過25度角；所述永磁體為常規磁鋼、釹鐵硼等一類帶有固定磁極、并且磁 極方向不因外磁場而改變的物質。
[0012] 優選的，所述轉子單元3b設置于轉桶上的位置包括嵌合在轉桶外緣、內緣或內部 以及與轉桶實行一體化設計制造；轉子單元在不影響安裝于轉桶的前提下不限形狀，多個 組合優選均勻排布。
[0013] 優選的，所述定子單元3a由至少一組良導線環繞磁芯而成，其內部線圈繞組可任 意串聯、并聯連接，或通過不同繞組之間引出中間抽頭組成多線外接回路；對外電連接的方 式可以為兩線或多線構成的回路；
[0014] 優選的，所述定子單元3a內部繞組或若干定子單元組合通電形成的電磁極兩極 連線9與轉桶5的法線7垂直或重合，包括偏轉不超過25度角；
[0015] 更優選的，若干個定子單元3a可在靠近轉桶5的機架4固定部位任意組合排布， 包括若干所述定子單元3a環繞轉桶的機架相對部位對稱安裝；多個定子單元排布組合的 電磁極方向設置，遵循與轉子單元3b運動相向磁極相反的原則。
[0016] 優選的，所述電動裝置還包括傳感裝置，所述傳感裝置包括若干能感應所述轉子 單元3b與定子單元3a相對位置的傳感單元3c，其與所述電源調制器專設的傳感信號輸入 端lc電連接；所述電動裝置至少在機架4內部設置一傳感單元；
[0017] 更優選的，所述傳感裝置還包括定子單元的內部繞組，所述內部繞組包括環繞定 子單元磁芯的繞組以及若干定子單元繞組之間串聯而成的多線外接回路。
[0018] 優選的，所述電動裝置還包括若干選擇開關和內置控制程序的CPU邏輯系統組合 的控制面板2,其電連接所述電源調制器的邏輯信號輸入端Id ;控制面板2的邏輯功能獨立 設置，亦可將電源調制器的部分邏輯功能或全部邏輯功能集成于控制面板內。
[0019] 本發明中，所述電源調制器1將外部的電源10轉換為時序電流，使電動裝置中的 定子單元被限定在電源調制器設定的時域周期性地通電和斷電。
[0020] 本發明中，所述含有上述任一電動裝置的洗衣機包括轉桶5、機架4、電源10和至 少設置一套的電動裝置，所述的轉桶5包括在機架4內部臥放的滾筒式、豎放的波輪式以及 斜放的結構；所述的機架4為任意固體成形材料制成的帶密封活動窗的盒狀，所述的密封 活動窗設置在機架的上部或側面；所述機架4的水平截面為正方形、矩形、三角形、圓形以 及其他任意形狀。
[0021] 本發明還公開了一種前述洗衣機的電動裝置驅動方法，該方法根據所述轉子單元 3a和所述定子單元3b的位置關系，通過電源調制器輸出時序電流控制轉桶轉動；
[0022] 所述時序根據轉桶旋轉方向而定義，所述時序電流根據定子單元電磁場在轉桶上 的有效作用區間結合轉桶上的轉子單元個數而設置若干個通斷周期，每個通斷周期包括供 電時域和斷電時域；所述供電時域位于φτ/3<φ5?φΤ相應的時間段，所述φ為轉子單元繞 軸并與軸確定的法線與定子單元和軸所確定法線所形成的動態夾角，所述Φτ為轉子單元 繞軸切線方向與其所受電磁力方向重合狀態所確定的Φ值；所述斷電時域內電源調制器1 不輸出電流。
[0023] 優選的，所述轉桶的轉速根據電源調制器輸出的時序電流強度結合時序頻率/周 期而定義；所述電源調制器的供電電流不限波形、頻率及占空比。
[0024] 優選的，所述電源調制器在供電時域內至少包括兩段不同電流幅值不同的子時 域，且順時序呈幅度依次變小，供電時域或其子時域的幅值隨時序呈線性遞減關系；或呈2 Κ 遞減關系，所述的指數Κ取值0.65至0.9 ;或為如下關系：L/A = (L,-Is) Sin曠90/φτ，其 中Ic為通電起始的電流強度，I ,為通電終止時刻的電流強度。
[0025] 優選的，所述方法還包括校正步驟；所述校正步驟為將定子單元與轉子單元周期 性隔氣隙相對、處于同一法線的狀態（Φ為〇)作為基準座標和基準時間，當轉子單元每次 前轉至基準座標時，電源調制器進行一次時間歸0校準并記錄本次周期時間，通過與上次 轉子單元前轉至基準座標的周期時間比較，從而獲知電動裝置的旋轉周期時間和轉速，并 控制輸出電流。
[0026] 本發明還公開了所述洗衣機的電動裝置制動方法，該方法在所述轉子單元趨近定 子單元、轉子單元和定子單元處同軸法線相對以及處于遠離狀態的至少一個時域中，通過 電源調制器1設定的程序輸出時序電流控制轉桶5制動；
[0027] 所述時序根據轉桶旋轉方向而定義；所述轉子單元趨近定子單元的時域為 <φτ/3狀態的相應時間段，所述φ為轉子單元繞軸并與軸確定的法線與定子單元和軸所確 定法線所形成的動態夾角，所述Φτ為轉子單元繞軸切線方向與其所受電磁力方向重合狀 態所確定的ΦΙ直。
[0028] 優選的，所述方法還包括校正步驟，所述校正步驟將φ為〇作為基準座標和基準 時間，通過傳感裝置獲知轉子單元趨近/相對/遠離定子單元的位置狀態。
[0029] 優選的，所述輸出電流控制步驟包括當轉桶的轉速在預設時間未達到設定值時， 所述電源調制器自動加大所輸出電流的強度；以及當轉桶轉速或通電頻率達到設定的閾值 時，所述的電源調制器自動減少所輸出的電流強度或自動斷電。
[0030] 本發明針對洗衣機的應用特點，對電源植入優化的數控編程技術，明確了電動裝 置的時序供電周期及工作邏輯構成，實現高效節電。本發明洗衣機的電動裝置在機械結構 上并不象傳統電動機那樣設計為單元結構形式，所述定子單元在機架上固連可類比于電動 機的定子，所述轉子單元與轉桶組合可類比于電動機的轉子；伴隨轉桶周期性旋轉，轉子單 元與定子單元會形成周期性的磁相互作用，由于傳感裝置總是被周期性感應，電源調制器 從其獲得的信號可判知轉子單元與定子單元的相對位置，從而相應發出具有規律性的時序 電流實現洗衣機的工作邏輯。
[0031] 本發明的優點在于：所述電動裝置具有時序供電控制帶來的明顯節能效果，以此 方案進行匹配設計的洗衣機結構簡單，電動裝置可在轉桶多樣化組合、成本低，有效適應高 端節能洗衣機的設計要求。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發明電動裝置的一種機械本體結構示意圖。
[0033] 圖2a是轉子單元在轉桶的一種磁極設置示意圖。
[0034] 圖2b是轉子單元在轉桶的另一種磁極設置示意圖。
[0035] 圖3a是定子單元繞組兩端連線設置為與轉桶法線垂直的示意圖。
[0036] 圖3b是定子單元繞組兩端連線設置為與轉桶法線重合的示意圖。
[0037] 圖3c是定子單元凹型繞芯上部正對轉桶內緣的結構示意圖。
[0038] 圖4a是轉子單元所受電磁力的方向分解及繞軸動態夾角Φ示意圖。
[0039] 圖4b是轉子單元與定子單元處于同一法線的狀態示意圖。
[0040] 圖5a是電源調制器的基本工作邏輯示意圖。
[0041] 圖5b是一種實現電源調制器的數字技術邏輯的模塊組合示意圖。
[0042] 圖5c是電源調制器的另一種工作邏輯示意圖。
[0043] 圖6a是電源調制器輸出電流呈周期性通斷的時序示意圖。
[0044] 圖6b是一種兩階丨旦流呈遞減關系的電流時序不意圖。
[0045] 圖6c是一種首階電流恒定、二階電流呈曲線遞減關系的時序示意圖。
[0046] 圖6d是一種多階電流呈連續遞減關系的時序示意圖。
[0047] 圖6e是一種幅值呈曲線遞減關系的脈沖子集包絡示意圖。
[0048] 圖7a是一個定子單元組合8個轉子單元的一種局部結構示意圖。
[0049] 圖7b是轉桶逆時針方向旋轉對應的一種周期通斷電時域示意圖。
[0050] 圖7c是一個定子單元組合8個轉子單元的一種通電邏輯示意圖。
[0051] 圖8是轉桶順時針方向旋轉對應的一種周期通斷電時域示意圖。
[0052] 圖9是4個定子單元組合12個轉子單元的一種局部結構示意圖。
[0053] 圖10a是轉桶上設置一個轉子單元組的結構示意圖。
[0054] 圖10b是轉桶上設置兩個轉子單元組的結構示意圖。
[0055] 附圖標識：
[0056] 1、電源調制器；la、直流電源輸入端；lb、時序電流輸出端；lc、感應信號輸入端； Id、邏輯信號輸入端；2、控制面板；3a、定子單元；3b、轉子單元；3c、傳感單元；3d、氣隙；4、 機架；5、轉桶；6、轉桶軸心；7、同軸法線；8、轉桶切線；9、繞組兩極連線；10、電源；φ、轉子 單元繞軸法線夾角。
【具體實施方式】
[0057] 下面結合附圖和實施例進一步對本發明進行詳細說明。
[0058] 本發明所述洗衣機的一種電動裝置的本體機械結構如圖1所示，該洗衣機沒有單 元結構電機，電動裝置的基礎結構包括定子單元3a和轉子單元3b，定子單元由至少一組良 導線環繞磁芯而成，良導線通常使用銅線或鍍銅鋁芯線，磁芯材料為本領域技術人員公知 的一種在磁場作用下內部狀態發生變化、并產生更強附加磁場的物質；定子單元繞組越多， 磁芯的磁導率越高，對轉子單元的電磁作用越強。
[0059] 當轉桶5外緣設置一個永磁體轉子單元3b，其S極面向轉桶內設置；一個定子單 元3a設置在靠近轉桶外緣的機架上，其繞組通電的N極面向轉桶內緣；轉子單元與定子單 元運動相對的氣隙3d足夠小，則轉子單元趨近通電的定子單元時，會受到其電磁力吸引作 用而使轉桶加速運動，如圖2a所示；在另一個實施例中，轉子單元3b的S極運動相向定子 單元，定子單元繞組通電的N極逆轉桶旋轉方向與其相對，兩者磁作用同樣為相吸，如圖2b 所示；該定子單元電磁極與轉子單元相吸關系設置是本發明洗衣機的電動裝置的基礎模 型。
[0060] 上述運動模型中，轉子單元3b隔氣隙受到的電磁力F可分解為法線10方向匕。與 切線11方向F n，其中對轉子單元繞軸有貢獻的是Fn，轉子單元繞軸并和軸所確定的法線與 定子單元和軸所確定的法線為一個動態夾角Φ.，如圖4a所示；轉子單元所受電磁力的作用 區間與定子單元的設置方案相關，例如單個柱狀或工字形繞芯的定子單元電磁力線穿越氣 隙的最大值，對應于電磁極的兩極連線12與其在轉桶所處的法線10垂直（與相應切線11 平行），如圖3a所示；柱狀或工字形繞芯的定子單元亦可設置為電磁極的兩極連線12與其 所處法線10重合，如圖3b所示，該設置方式通常為多個定子單元組合時選用；凹型繞芯定 子單元的電磁力對轉子單元的有效作用區間，位于繞芯上部正對轉桶內緣的兩端范圍內， 如圖3c所示。
[0061] 轉子單元在轉桶上繞軸時，其繞軸切線方向與隔氣隙所受到電磁力F作用方向重 合為一特殊狀態，此時夾角Φ為定值轉子單元所受電磁力的有效作用區間，位于以φ為 〇狀態為基準的±φτ位置區間內（所述土根據轉桶的旋轉方向而定義）。當φ為〇時，f 1q 為最大值，Fn為0,此時轉子單元對繞軸無貢獻，如圖4b所示。F iJP F i。為一對此消彼長的 運動變量，其理論強弱變換以ψτ/2為分界點，在φ>φτ/2的狀態表現為以驅動力Fn為主， 而在φ<φτ/2的狀態表現為以制動力匕。為主。
[0062] 本發明洗衣機的電動裝置驅動技術方案為：電源調制器對應Φτ/3<φ5?φτ的時 域供電，其余時域斷電；當設計目標為節電時，優選2φτ/3??φ5?φτ甚至5φτ/6矣φ <φτ的 時域供電；當需要充分利用轉桶的轉動慣量時，優選φτ/2<φ<φτ甚至φτ/3 <φ<φτ的 時域供電；因屮<9丁/2的狀態以制動力Fi。為主，在φ<φτ/3狀態通電對驅動已失去優化 設計意義；該驅動電流的通斷時域如圖6a所示，其中?\為供電時間，1~ 2和Τ。均為斷電時 間，（Ti+TJT。）構成了時序驅動電流周期Τ。本發明洗衣機的電動裝置制動技術方案為： 電源調制器對應TjP T。的部分時域或全部時域設置為供電，所述T 2為轉子單元繞軸對應 〇<φ《φτ/3的時域，所述T。為轉子單元遠離定子單元的相應時域；同理，φ在>φτ/3狀態 存在可觀的切向力Fn，對制動無益。
[0063] 上述根據Φ對應狀態的通、斷電控制，可近似變換為相對時間控制，因為電源調制 器通過時序校準可判知Φ從ΦΤ到〇、即（τ 1+Τ2)的時間段，只要設定1\與T 2的相對時間，即 近似于對φ相應狀態的通、斷電時域控制；例如控制《ρ對應φτ至φτ/2的時域供電，可近似 設定為在（Vig的時間段起始1/2時域，之后1/2時域斷電；當控制φ對應φτ/3至0的時 域供電，可近似設定為在（Ti+ig的時間段起始2/3時域斷電，之后1/3時域供電；(Ti+ig 是一個與轉動的轉速相關的量，以時序電流周期時間確定φ_「在變速狀態時會出現偏差，換 言之是一種近似控制方式，由于電源調制器對應Φ為0度狀態設置有時間校準，得予在下 一周期及時校正。
[0064] ζφ為一個關聯電動裝置中定子單元及轉子單元設置方案的磁作用隱變量，當定 子單元設置（包括組合）方案確定后，fT的顯態位置同時被確定，實際設計時，通常是運用 φ為〇及Φ為ΦΤ的顯態位置作為傳感裝置判斷電動裝置內部相對位置的一種依據；ψτ的 精確位置是一個與轉桶弧度、氣隙間距、定子單元繞芯形狀及其排布等參數相關的值，有多 種理論模型，具體設計時應經實驗校準。電源調制器相應輸出驅動或制動電流的工作邏輯 可由常規開關控制線路實現，也可采用CPU編程結合功率模塊組電路實現，或采用大規模 集成電路技術制造的專用芯片實現。
[0065] 電源調制器的工作邏輯變換指令信號通常是從固連在機架上的傳感單元3c獲 得，如圖5a簡示，常見的傳感單元為磁電感應繞組、霍爾元件或光電編碼器等，當轉子單元 繞軸周期性運動時，傳感單元可獲得電流（電壓）的變化率反饋給電源調制器，電源調制器 依據該感應信號判知轉子單元的相對位置而相應發出時序電流。根據傳感單元的工作精度 及可靠性要求，可在機架上設置一個或若干個傳感單元，甚至變形為從上述定子單元多繞 組反饋的方式、以及運用定子單元雙線環繞磁芯的繞組反饋方式獲得工作邏輯變換指令信 號（如圖5c簡示），此時電源調制器的感應信號輸入端相應內置，其響應處理對電源調制器 的工作程序邏輯提出了較高要求。
[0066] ?\時域伴隨有表現為制動力的F i。，存在一個驅動與制動、有用功與耗電/散熱的 優選問題，由于h。對電動裝置驅動是潛在積熱來源，而在時序驅動電流中又無法將F 1Q徹 底分離，一種削弱h。對潛在積熱影響的優選方案為：在T i時域內將通電強度/幅值設置 為隨時序遞減，該優選方案包括設置m多2個通電強度隨時序遞減的子集，例如設置兩段 后階強度比前階小的恒定電流子集、5階段強度依次遞減的恒定電流，利用脈沖數字技術設 置m為30、3K或30K幅值依次遞減構成的子集等等。通電強度/幅值隨時序遞減的技術方 案眾多，例如設置為隨時序線性遞減，也可設置為由最大值按2 Κ關系時序遞減，Κ取值范圍 為0. 65至0. 9的正數，等等；圖6b是一種兩階恒流隨時序遞減的設計方案，圖6c是一種首 階電流恒定、二階電流呈曲線遞減的設計方案，圖6d是一種多階電流呈連續遞減的設計方 案，其多階電流強度的幅值包絡越接近WA = (I。一 U) sim^90/cpT的優選關系，節電效果 越好；圖6e是一種通電時序終止時刻的電流不為0、其間強度隨時序遞減的幅值包絡趨勢 示意圖。
[0067] 圖7a是一個定子單元組合8個轉子單元的結構示意簡圖，在轉桶一個旋轉周期π 中定子單元分別與8個轉子單元發生磁作用，電源調制器的時序電流劃分為8個（Ti+TJT。） 周期，圖7b標示了一種設定T為π /8時、與轉桶逆時針旋轉方向相對應的T^TjP T。時序 的示意區域，圖7c為其中一個周期T的通電邏輯示意圖。轉子單元并非設置越多越好，其 在轉桶上的數目受限于所受定子單元電磁力有效作用區間相應的空間占位，否則電源調制 器對應輸出的時序電流周期會重疊。
[0068] 電源調制器啟動供電的時刻和所設定的電流時序直接定義了轉桶的旋轉方向，圖 7b述例為時序電流啟動對應逆時針方向φτ/3??φ=ξ?φτ的區間設置，轉桶相應逆時針方向旋 轉；當時序電流啟動對應于為一φτ至為一Φτ/3的區間而設置（所述土以為〇而相對 定義），則轉桶相應順時針方向旋轉，圖8標示了一種結構與圖7b類同、與轉桶順時針旋轉 方向相對應的！\、1~2和T。時序的示意區域。
[0069] 轉桶上的定子單元可設置多個，多個定子單元在轉桶一個旋轉周期分別與8個轉 子單元發生電磁力作用。圖9所示的是4個定子單元在機架上對應轉桶上一個轉子單元 組12個轉子單元的結構示意簡圖，在轉桶旋轉周期中，電源調制器要為4個定子單元分別 提供12個周期為（Ti+TJT。）的時序電流，這種組合對電源調制器提出了更高的設計要求。 進一步可選擇8個定子單元在機架上分兩組對應轉桶上兩個環形圈內各12個轉子單元，等 等。理論上當Η個定子單元組合η個轉子單元設計時，如果電源調制器對Η個定子單元繞 組分立供電，需對應設計η*Η個（Ti+TJT。）電流時序，編程將十分復雜；因此在多個定子單 元的實用系統設計中，優選Η個定子單元繞組電串聯組合，或Η個定子單元繞組分為若干組 外接電源調制器，例如4個定子單元的內部繞組串聯，串聯繞組中間引出抽頭共三根線對 外電連接電源調制器，技術上還可利用該三根線兩兩比較的微分電位的不同，作為一種判 別轉子單元相對位置的信號源，替代獨立設置的傳感單元。
[0070] 本發明洗衣機在靜態啟動時存在一種特殊狀態，當轉子單元剛好處于與定子單元 隔氣隙處于同一法線7、φ為0時，容易出現堵轉，可通過對電源調制器設置靜態啟動程序 解決。所謂靜態啟動時序程序的一個簡單例，是基于傳感裝置可判知Φ為〇的狀態，當電源 調制器在設定最大時間值得不到傳感裝置反饋信號的情況下，實時發出與正常驅動電流方 向相反的啟動電流，使轉桶上至少一個轉子單元受到同性磁極相斥作用而偏離與定子單元 隔氣隙處于同一法線的狀態，避免啟動不暢順。
[0071] 理論上也可以在轉桶安裝一個轉子單元與機架上多個定子單元組合，但這種等效 設計在技術上雖可實施，但因定子單元的造價相對較高，非優選方案。
[0072] 電源調制器可用常規開關電路設計或脈沖數字技術實現，優選后者，后者基礎功 能模塊一般包括電源變換電路、內存貯有工作程序的微處理器和信號輸入輸出電路，能通 過傳感裝置反饋信號相應控制驅動模塊輸出的時序電流，對電動裝置進行動態控制，圖5b 是一種實現所述基本功能的數字技術邏輯模塊組合示意圖。
[0073] 綜上，所述的電源調制器是一個邏輯電源開關系統，時序通電周期/頻率反映了 單位時間內定子單元3a對轉子單元3b的通電作用次數，該時序頻率間接定義了轉桶的轉 速及定子單元所需要的電磁力（源于電源調制器對定子單元繞組通電），通電幅值越大，單 位時間內定子單元通電對轉子單元的作用力越大、作用次數越多，其結果反映了轉桶的轉 速越快。電源調制器所輸出電流的時序頻率，與轉桶旋轉周期隱含的（Ti+L+T。）時序作用 次數、通電平均強度以及轉速是相互對應的諸物理量關系，當電源調制器的諸多設定條件 進入邏輯工作狀態后，控制了時序通電頻率也就是控制了轉桶的轉速。該轉速及工作程序 控制是通過控制面板2電連接電源調制器的邏輯信號輸入端Id來實現，電源調制器可安裝 在機架上任意位置。
[0074] 所述洗衣機可以在轉桶上設置一個轉子單元組，如圖10a所示；或設置兩個轉子 單元組，如圖l〇b所示；也可以在轉桶上設置多個轉子單元組；與轉桶上環形設置的轉子單 元組相對應，機架4上對應一個轉子單元組至少設置一個定子單元；所述洗衣機設置的多 套電動裝置，包括每套轉子單元/定子單元對應設置一個電源調制器，也可以多套轉子單 元/定子單元共用一個電源調制器。
[0075] -般洗衣機的控制面板2包括外置的若干按按式開關和內置CPU系統的組合，這 些外置開關與內置CPU系統程序的若干輸入/設定接口一一對應，通過控制面板上若干開 關的狀態組合，可得出洗衣機工作邏輯的不同程序，例如浸漬時間、啟動旋轉時間、暫停時 間、脫水時間等參數，也可以根據商用產品的慣例設置常規連續執行的標準程序；這類標準 程序以及接口編程方式，現有洗衣機產品已設計得較為完善，對本發明洗衣機的應用而言， 原則是根據電動裝置的供電特征設定對應的工作邏輯，將控制面板的常規控制功能對接電 源調制器系統實現，共用數據母線統一編程。控制面板也可設計為非機械式的電子感應開 關控制方式，包括遙控。
[0076] 定子單元在機架上的設置要點，是要使轉子單元在周期性旋轉中與其形成兩者有 效發生磁作用必須的相對氣隙3d，該氣隙是定子單元向轉子單元傳遞電磁力作用的能量通 道，氣隙越小越有利于磁能量作用傳遞，但氣隙過小易發生機械接觸，設計時需綜合把握材 料的剛性和機械加工精度。
[0077] 本說明書所述的優選例僅為推薦，若干技術方案可組合并用或部分使用，也可加 入其他成熟技術。只要根據電動裝置的磁流特點對電源調制器設計可精確控制的時序電 流，即可實現本發明方案的基本技術目標。
[0078] 對洗衣機以及電動機技術較深入了解的專業人士，都不難在本發明所述的方案基 礎上，舉一反三地變形實施本
【發明內容】
。例如在現有市場洗衣機的電動機控制基礎上，通過 傳感方式以及控制器電流程序變換來部分實施本發明。本發明所述洗衣機的電動裝置基礎 結構、電源調制器的電流時序控制方法和通電時域的幅值遞減設計方案及其衍生的技術變 形實施，均應被列入本發明的保護范圍。
[0079] 實施例1、
[0080] -種節電型波輪式洗衣機，機架4水平截面為邊長450mm的正方形，高度為550mm， 選用周長為1000mm、高度為400mm的轉桶5,轉桶底部凸起筋條與常規波輪式洗衣機的設計 類同；電動裝置設計為12個轉子單元3b與4個定子單元3a的組合，其結構示意如圖9簡 示；洗衣機外接家用220V交流電源，通過常規變壓/整流裝置改變為48V的直流電源，首先 滿足家用電器安全第一的設計要求。
[0081] 轉子單元選用優質磁鋼，加工成厚度2mm、長度和寬度均為28mm的小單元，并且將 該12個永磁體轉子單元加工為與轉桶外緣相應的弧形，緊密安裝在不銹鋼合金材料制成 的轉桶的外緣，12個轉子單元的S極均設置為逆時針方向，環繞轉桶安裝在所設計最高水 位至底部的0. 618黃金分割處，間隔平均設置；定子單元3a的繞芯選擇凹形鐵磁體，繞芯下 部外加一 V形配件，配件兩邊呈垂直，定子單元繞組由一根直徑0. 90mm的銅線環繞凹形磁 芯65圈而成，4個繞組電串聯，安裝要點：外加緊固件將4個定子單元固定在正對轉桶上轉 子單元的機架四個邊角部位，繞芯上部兩端正對轉桶5的外緣（如圖3c所示），與轉桶外緣 的轉子單元形成18mm的周期性相對氣隙，繞芯兩端對應轉桶占位30度角。
[0082] 該洗衣機4個定子單元在轉桶一個旋轉周期中，分別與轉桶上8個轉子單元發生 磁作用，對應電源調制器輸出的時序電流分8個（Ti+L+T。）周期，設定每周期的（T 1:T2:T。） 時域比例為（5. 25 :6 :11. 25)，以此參數確定電源調制器在洗衣機各段工作程序輸出的不 同時序頻率，并間接定義出相應的時序電流幅值。
[0083] 脫水程序對應的轉桶最大轉速設計為1200轉/分即20轉/s，其（?^+?^+Τ。）時序頻 率為160次/s，即時序周期時間為6. 25ms ;轉桶在漂洗、清洗程序的轉速（包括轉動方向）、 轉動時間、靜置時間等，均依據現有市場洗衣機的成熟經驗參數而設定；電源調制器對應轉 桶最大轉速時輸出的電流強度在額定電壓48V時為26A，該最大電流值是一個根據轉桶滿 載水重量、額定洗滌重量結合電動裝置設計并經實驗校準的值，以實驗值為準。
[0084] 電源調制器的核心模塊包括常規CPU和一個設計功率1500W的驅動模塊（其邏輯 結構如圖5b所示），脈沖變換調理電路主要完成將脈沖信號轉換為階梯波信號，脈沖信號 發生器主要產生所需的脈沖信號，其次經微分電路輸出尖峰脈沖，然后經過限幅電路將尖 峰脈沖的負半周濾除，剩下正半軸尖峰脈沖，用集成運放組成的積分電路進行積分累加，加 上電壓比較器和控制電路組成了完整的階梯脈沖信號，對電路的各個元件進行參數調整， 從而得到滿足工作邏輯要求的階梯波信號。電源調制器在?\通電時序內，通過控制芯片使 驅動模塊產生一系列幅值隨時序遞減的脈沖電流，脈沖頻率30ΚΗζ，其電源輸入端la電連 接電源10的正負極，時序驅動電流輸出端lb電連接定子單元3a的繞組（繞組通電方向對 應4個定子單元的N極均為順時針方向），邏輯信號輸入端Id電連接控制面板2,感應信號 輸入端lc電連接傳感單元3c。傳感單元由一個磁電感應繞組構成，通過外加螺絲將傳感單 元固連在靠近轉桶5外緣、與其上轉子單元運動相對的機架4部位。
[0085] 洗衣機控制面板2包括外置的若干按按式開關和內置CPU系統的組合，通過控制 面板上若干開關的狀態組合，可得出洗衣機的常規工作邏輯程序，其標準程序以及接口編 程方式可專門設計，也可以采購數據接口方式共通的市場產品配套；通過工作邏輯程序的 配套設計，可實時控制電源調制器輸出的電流強度，從而控制洗衣機轉桶在不同工作階段 的運行狀態。洗衣機常規使用的配件均采用市購。
[0086] 電源調制器的驅動邏輯為：以某定子單元與轉子單元周期性隔氣隙相對、處于同 一法線7 ( Φ為0)的狀態記為基準座標和基準時間，當控制面板2的內置CPU程序給出驅動 信號，電源調制器依設定的?\時序（轉子單元逆時針對應Φ為φτ位置的時刻）輸出20A電 流使轉桶沿逆時針方向啟動，執行（Τ 1:Τ2:Τ。）為（5. 25 :6 :11. 25)的時序，并對應轉桶每個 旋轉周期自動加大5%電流強度；當轉子單元每次繞軸至基準座標時，電源調制器進行一 次時間歸〇校準并記錄本次周期時間，通過與上次周期時間比較，獲知本次周期時間的實 時值，并對下一步工作邏輯進行判定：如果轉桶已達到程序設定的轉速，電源調制器自動降 低5%電流強度；如果轉桶未達到程序設定的轉速，則電源調制器在下一周期對應轉子單 元逆時針繞軸至對應Φ為<ΡΤ位置的時刻，執行對應轉桶每個旋轉周期自動加大 7 %電流強 度的程序，實時通電強度由電源調制器通過傳感單元3c給出的信號數據判定并自動調整。 當時序通電頻率對應轉桶轉速連續4s高于某階段程序的設定值，或電源調制器連續4s輸 出26A電流的狀態時，電源調制器進入暫時休眠而達到節電設計目標。
[0087] 轉桶在洗衣機浸漬或工作程序變換的中間階段，表現為靜置，對應電源調制器休 目民，不輸出電流；轉桶的順時針方向旋轉，對應電源調制器啟動?\時序變換至φ為一φτ位 置的時刻為一值以轉子單元逆時針方向相對定子單元的位置定義），執行（Τ 1:Τ2:Τ。）為 (5. 25 :6 :11· 25)的時序，供電電流方向相反。
[0088] 電源調制器設定的減速制動邏輯為：當洗衣機從轉桶高速旋轉狀態變換下一工作 程序時（如漂洗后完成脫水程序，變換為轉桶靜置、自動重新加水），切斷?\對應的時序電 流，同時啟動^時域通電，通電時域設定在傳感單元3c感知轉子單元3b繞軸7前轉至爭為 φτ/3.到φ為0位置的時間段；該制動通電時域可對應周期時序設定為：在（?\+Τ2)時序中， 起始2/3時域斷電，之后1/3時域通電。
[0089] 電源調制器相應制動時序輸出的電流強度為25Α。
[0090] 本實施例通過對控制面板2和電源調制器1的編程，可有效實現洗衣機完成對注 水、浸漬、漂洗、清洗、脫水及其間設置靜置的全自動控制過程。
[0091] 實施例2、
[0092] 在實施例1的基礎上優化電源調制器的通電程序：將1\通電時域設置為5段通 電時間相同但電流強度規律遞減的電流，5段通電強度按的線性關系分級遞減，遞 減系數K為0. 8,即?\通電時域內設置的5段電流強度分別為26A、20. 8A、16. 64A、13. 31A、 10. 65A。轉子單元3b的材料改用常規釹鐵硼。
[0093] 其余與實施例1類同，本實施例可降低電動裝置積熱，節電效果相對好。
[0094] 實施例3、
[0095] 將實施例2的脈沖子集幅值改設置為連續遞減，即電源調制器對應?\啟動電流為 26Α時，通電時域的幅值包絡趨勢呈（部一?α·65) Sin (|)*&〇/φτ的規律遞減，其中φ為轉子 單元繞軸并與軸確定的法線與定子單元和軸所確定法線所形成的動態夾角，Φτ為轉子單 元繞軸切線方向與其所受電磁力方向重合狀態所確定的Φ值。
[0096] 為提高位置信號傳感的工作可靠性，本實施例將傳感單元設置為兩個。
[0097] 本實施例因電源調制器1所輸出的脈沖子集包絡選擇了更優化的時序遞減關系， 洗衣機的節電效果比實施例2好。
[0098] 實施例4、
[0099] 將實施例1洗衣機的制動邏輯進一步優化為：電源調制器啟動Τ2時域通電的同 時，將Τ。部分時域的工作邏輯同步變換為通電，所述該Τ。部分時域的時間值與（T i+T2)相 等，τ。通電啟動時刻以ζφ為〇開始計時；電源調制器在該τ。部分時域所輸出的制動電流 強度同為25Α。
[0100] 本實施例對定子單元繞組的制動通電增加了轉子單元和定子單元處同軸法線相 對以及處于遠離狀態的時域；該制動通電時域可對應周期時序設定為：在（Ti+TJT。）時序 中，起始1/3的1\時域斷電，之后2/3的（T 2+T。）時域通電。
[0101] 所述實施例1洗衣機的制動通電時域τ2，也可以由中為印丁/3到φ為0位置的時間 段更改為中為φτ/6到φ為0位置的時間段。
[0102] 實施例5、
[0103] 將實施例1的定子單元3a繞芯改為圓柱形，每個繞芯的繞組匝數同為45圈，定子 單元增加至16個，每4個為一組替代實施例1所述的1個凹形繞芯定子單元，安裝時每個 繞芯兩端連線9與轉桶5的同軸法線7重合，如圖3a所示；每組4個定子單元繞組通電方 向形成的電磁極相同，S極正對轉桶5的軸6。12個永磁體轉子單元3b與轉桶5實行一體 化制造，S極均設置為逆時針方向，嵌合在與16個定子單元相對的轉桶環型圈內，相間平均 設置。
[0104] 本實施例中，對定子單元繞組的供電驅動時域定義為φ從φτ至φ為φτ/3相應的 時間段，供電制動時域定義為φ從職'/4至φ為〇相應的時間段。機架上傳感單元3c變形 為：在周期面對傳感單元的轉桶外緣環形區域任意部位，專門設置一塊永磁體，使傳感單元 的感應繞組伴隨轉桶5旋轉而周期性感應，從而獲得傳感應信號。
[0105] 實施例6、
[0106] 在實施例1的基礎上，將轉桶5上的電動裝置設置為兩套。
[0107] 12個一組的轉子單元3b設置兩組，共24個，兩組轉子單元的S極面向轉桶的軸 6,沿轉桶分別環型安裝在所設計最高水位至底部之間的1/3和2/3位置，相間平均設置，如 圖10b所示；轉子單元與轉桶實行一體化設計制造，轉桶采用塑鋼材料，轉子單元在轉桶的 模壓成形過程中嵌合在轉桶的內部。4個一組的定子單元3a設置兩組，共8個，每組電串聯 連接，分別安裝在機架4上對應兩個轉子單元環型圈的4個邊角，繞組通電的電磁極均設置 為S極正對轉桶5的軸6 ;電源調制器1相應設置為兩路電流輸出并分別電連接兩組定子 單元3a的繞組；轉桶外緣的機架4內部設置4個傳感單元3c，配件方式及其他設置方式與 實施例1類同。
[0108] 為防止在轉子單元3b與定子單元3a靜態處于同軸6法線7時、轉桶有可能出現 啟動不暢順，本實施例對電源調制器專門設計有靜態啟動時序電流；當電源調制器在〇. 5S 得不到傳感裝置反饋信號的情況下，實時發出與正常驅動電流方向相反的啟動電流，使轉 桶上與定子單元相對的永磁體轉子單元受到同性磁極相斥，使之偏離與定子單元隔氣隙處 于同一法線的狀態，避免啟動不暢順。
[0109] 本實施例中，對轉桶定子單元繞組的供電驅動時域定義為cp從φτ至φ為2φτ,1相 應的時間段，供電制動時域定義為φ從φτ/5至φ為〇相應的時間段。所述的轉桶，在洗衣 機中既可設計為豎放的波輪式，也可設計為橫放的滾筒式，通過對控制面板2和電源調制 器1編程，可實現洗衣機完成對注水、浸漬、漂洗、清洗、脫水及其間設置靜置的全自動控制 過程，有效降低洗衣機的耗電量。
[0110] 實施例7、
[0111] 以上實施例的機架4水平截面均為四邊形，定子單元3a設置在4個邊角，本實施 例的機架改為水平截面三角形，12個繞芯為工字形的定子單元分3組，每組4個定子單元設 置在3個邊角，即每個邊角安裝一組4個定子單元，每組定子單元繞芯組合的兩端對應轉桶 占位105度角，與轉桶形成15mm的相對氣隙，每個定子單元的工字形繞芯兩端連線9與轉 桶的法線7重合。
[0112] 轉桶內部平均間隔嵌合有12個長度28mm的轉子單元，轉子單元的S極全部逆時 針方向環繞轉桶設置；每個定子單元的繞組均由直徑〇. 85mm的銅線環繞而成，匝數45圈， 安裝時每個繞芯兩端連線9與轉桶5的同軸法線7重合，如圖3a所示；3組定子單元的繞組 環形電串聯，接口各引出一個抽頭，繞組外接回路改變為3根線（類似于傳統電機內部繞組 的A接法）；電源調制器1對應設計為3線回路，其相應輸出的時序脈沖電流在3線構成 的各個回路中平均分配，使每組4個定子單元繞組串聯組合后通電獲得的電磁場的N極全 部順時針方向；本實施例可以利用定子單元3a繞組外接多個回路反饋的信號比較出微分 電位差，作為轉子單元伴隨轉桶5旋轉相對位置判別的信號源，替代獨立設置的傳感單元。
[0113] 本實施例對電動裝置的驅動、制動和工作邏輯控制與實施例1類同。
[0114] 實施例8、
[0115] 將實施例1單線環繞磁芯的定子單元改變為雙線環繞磁芯構成兩個繞組回路，其 中一個繞組回路由一根直徑0. 90mm的銅線環繞凹形磁芯65圈而成，用于動力供電，電連接 電源調制器1的時序電流輸出端；另一個繞組回路由一根直徑0. 18mm的銅線環繞凹形磁芯 15圈而成，用作替代獨立設置的傳感單元，作為轉子單元伴隨轉桶5旋轉相對位置的判別 信號源。本實施例可更節省銅材。
[0116] 以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照實施例對本發明進 行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同 替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種洗衣機的電動裝置，其特征在于，所述電動裝置包括電源調制器（I)、定子單元 (3a)和永磁體轉子單元（3b);所述洗衣機的轉桶（5)上至少設置一個轉子單元組，每個轉 子單元組包括至少4個間隔設置的轉子單元（3b)，且所有轉子單元環繞轉桶設置的磁極方 向相同；所述定子單元至少安裝一個在靠近轉桶外緣的機架（4)固定部位，與轉子單元所 形成的周期性相對氣隙（3d)不大于60mm; 所述電源調制器（1)包括電源輸入端（la)、邏輯信號輸入端（Id)和時序電流輸出端 (化），其電源輸入端電連接電源（10)，時序電流輸出端電連接定子單元（3a)的內部繞組； 所述電源調制器對定子單元（3a)內部繞組供電使定子單元形成電磁極的方向，設置為與 轉子單元（3b)運動相向的極性相反；所述電源調制器對定子單元的內部繞組相應輸出時 序電流，實現所述電動裝置的驅動/制動。2. 根據權利要求1所述的電動裝置，其特征在于，所述定子單元（3a)由至少一組良導 線環繞磁忍而成，其在機架（4)上組合排布得到的繞組之間通過串聯或并聯連接，或通過 不同繞組之間引出中間抽頭組成多線外接回路。3. 根據權利要求1所述的電動裝置，其特征在于，所述電動裝置還包括傳感裝置，所述 傳感裝置包括若干能感應所述轉子單元（3b)與定子單元（3a)相對位置的傳感單元（3c)， 其與所述電源調制器的傳感信號輸入端（Ic)電連接；所述電動裝置至少在機架（4)內部設 置一傳感單元。4. 根據權利要求3所述的電動裝置，其特征在于，所述電動裝置的傳感裝置還包括定 子單元（3a)的內部繞組，所述內部繞組包括環繞定子單元磁忍的繞組W及若干定子單元 繞組之間串聯而成的多線外接回路。5. 根據權利要求1所述的電動裝置，其特征在于，所述電動裝置還包括若干選擇開關 和內置控制程序的CPU邏輯系統組合的控制面板（2)，其電連接所述電源調制器的邏輯信 號輸入端（Id);控制面板似的邏輯功能獨立設置，亦可將電源調制器的部分邏輯功能或 全部邏輯功能集成于控制面板內。6. -種洗衣機，其特征在于，所述洗衣機含有如權利要求1~4任一的電動裝置，所述 洗衣機包括轉桶巧）、機架（4)、電源（10)和至少設置一套的電動裝置，所述的轉桶包括在 機架內部邸放的滾筒式、豎放的波輪式W及斜放的結構。7. 基于權利要求1~5任一洗衣機的電動裝置驅動方法，該方法根據所述轉子單元 (3a)和所述定子單元（3b)的位置關系，通過電源調制器（1)輸出時序電流控制洗衣機的轉 桶巧）轉動； 所述時序根據轉桶旋轉方向而定義，所述時序電流根據定子單元電磁場在轉桶上的有 效作用區間結合轉桶上的轉子單元個數而設置若干個通斷周期，每個通斷周期包括供電時 域和斷電時域；所述供電時域位于取(PT相應的時間段，所述華為轉子單元繞軸并 與軸確定的法線與定子單元和軸所確定法線所形成的動態夾角，所述斬為轉子單元繞軸 切線方向與其所受電磁力方向重合狀態所確定的平值； 所述斷電時域內電源調制器（1)不輸出電流。8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述的電源調制器在供電時域內至少包 括兩段不同電流幅值，且按時序呈幅值依次變小，供電時域或其子時域的幅值隨時序呈線 性遞減關系；或呈2K遞減關系，所述的指數K取值0. 65至0. 9 ; 或為如下關系其中I。為通電起始的電流強度，I g為通 電終止時刻的電流強度。9. 根據權利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括校正步驟；所述校正 步驟為將轉子單元和定子單元處同軸法線相對、？為0的狀態作為基準座標和基準時間，當 轉子單元每次轉至基準座標時，電源調制器（1)進行一次時間歸0校準并記錄本次周期時 間，通過與上次轉子單元轉至基準座標的周期時間比較，從而獲知轉桶（5)旋轉周期時間 和轉速。10. 基于權利要求1~5任一洗衣機的電動裝置制動方法，該方法在所述轉子單元趨近 定子單元、轉子單元和定子單元處同軸法線相對W及處于遠離狀態的至少一個時域中，通 過電源調制器（1)設定的程序輸出時序電流控制轉桶（5)制動； 所述轉子單元趨近定子單元的時域為O或取爲傘T巧狀態的相應時間段，所述中為轉子 單元繞軸并與軸確定的法線與定子單元和軸所確定法線所形成的動態夾角，所述爭T為轉 子單元繞軸切線方向與其所受電磁力方向重合狀態所確定的啤值。
【文檔編號】D06F39/00GK105986411SQ201510044016
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月28日
【發明人】劉粵榮, 李德倫
【申請人】劉粵榮